Digitalgestützte 100-Prozent-Prüfungen in der Präzisionsfertigung

image1
Bild: Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen – Arz/116661

Die Herstellung von präzisen Bauteilen, z.B. für die Medizintechnik und Luftfahrt, unterliegt strengen Qualitätsanforderungen und häufig einer Dokumentationspflicht, weshalb produzierende Unternehmen oft 100-Prozent-Prüfungen durchführen. Aktuell erledigen diese Kontrollen meist Fachkräfte manuell. Angesichts des Fachkräftemangels wird es für Unternehmen zunehmend schwieriger, geeignetes Personal für Qualitätskontrollen zu gewinnen. Dies betrifft insbesondere Nacht- und Wochenendschichten. Eine Automatisierung dieser Kontrollen mit herkömmlichen Messsystemen ist in der Regel mit hohen Nebenzeiten verbunden. Zudem wird in beiden Fällen die Bauteilqualität erst nach Ende des Fertigungsprozesses festgestellt. Folglich werden Prozessstörungen erst verspätet erkannt und Ausschussbauteile durchlaufen ebenfalls aufwendige Qualitätskontrollen. Insgesamt entstehen etwa 25 bis 30 Prozent der Herstellungskosten durch die Qualitätssicherung.

Vorausschauende Prüfungen

Im Projekt QPredict wird daher ein modulares, adaptives Fertigungssystem entwickelt, das auf dem Prinzip der virtuellen Qualitätskontrolle (Predictive Quality, PQ) basiert. Das Vorhaben wird im Rahmen des ‚Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand‘ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert und läuft von Januar 2026 bis Mai 2028. Ziel ist es, Qualitätsabweichungen nicht erst nach der Fertigung, sondern bereits während des laufenden Prozesses zu erkennen und gezielt gegenzusteuern, ohne zusätzliche Nebenzeiten zu verursachen. Dadurch sollen sich Ausschuss und Nacharbeit reduzieren, die Herstellkosten senken und ein wirtschaftlicher Drei-Schicht-Betrieb realisieren lassen. Das System ist in vier aufeinander aufbauende Module gegliedert und umfasst die strukturierte Datenerfassung in digitalen Werkstückzwillingen, eine prozessparallele Anomalie-Detektion, eine Qualitätsprädiktion auf Basis von maschinellem Lernen mit bedarfsgerechter Endkontrolle sowie eine automatisierte Prozessadaption.

Datenfundament errichten

Die im Projekt geplanten, datengetriebenen Funktionen setzen eine umfassende Datengrundlage voraus. Daher werden im ersten Schritt sämtliche bauteilbezogenen Informationen, wie Prozessstellgrößen und -signale sowie Qualitätsdaten und relevante Ereignisse, aufgezeichnet und strukturiert in digitalen Werkstückzwillingen gespeichert. Im weiteren Projektverlauf werden die Werkstückzwillinge schrittweise um zusätzliche Informationen ergänzt, beispielsweise um Modellprognosen und vorgenommene Prozessanpassungen.

Sämtliche bauteilbezogenen Daten werden automatisiert und strukturiert gespeichert.
Sämtliche bauteilbezogenen Daten werden automatisiert und strukturiert gespeichert. – Bild: Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen – Arz/116662

Labeln vor dem Training

Derzeit wird das Modul für die Erzeugung der digitalen Werkstückzwillinge entwickelt. Die bauteilbezogenen Informationen werden über einen Edge-PC aus unterschiedlichen Datenquellen automatisiert ausgelesen und vorverarbeitet. Der Großteil der relevanten Informationen liegt in der NC und PLC vor. Hierzu zählen hochfrequente Antriebssignale sowie qualitäts- und prozessbezogene Informationen. Zusätzlich werden Schwingungen im Prozess über einen Beschleunigungssensor erfasst. Zudem ermöglicht eine visuelle Nutzeroberfläche der Fachkraft Auffälligkeiten im Fertigungsprozess direkt zu vermerken (Labeln). Diese Label bilden einen wesentlichen Baustein für das spätere Modelltraining für die nachfolgenden Module.

Modular durch MQTT-Broker

Die zentrale Kommunikationslogik basiert auf einer skalierbaren Broker-Architektur über MQTT, an welche die spezialisierten Vorverarbeitungsdienste ihre Daten übermitteln. Hochfrequente Signale wie das Spindeldrehmoment (10kHz) werden dabei in sogenannten Batches gebündelt, um eine effiziente Weiterverarbeitung zu ermöglichen. Durch diese modulare Struktur der Architektur kann das System mit geringem Aufwand um zusätzliche Datenquellen oder Vorverarbeitungsdienste erweitert, aktualisiert und auf weitere Maschinen ausgeweitet werden. Eine besondere Herausforderung besteht dabei in der Heterogenität der Daten. Die erfassten Informationen sind multimodal, weisen unterschiedliche Abtastraten auf, treffen zeitlich versetzt ein und erzeugen zum Teil hohe Datenvolumina. Um diese Daten für die spätere Modellentwicklung nutzbar zu machen, werden sie strukturiert und synchronisiert, bevor sie anschließend in einer PostgreSQL-Datenbank komprimiert gespeichert werden. Abschließend können über eine einzelne Datenbankabfrage sämtliche Bauteilinformationen, z.B. positionsaufgelöst für ein spezifisches Formelement, ausgegeben werden.

Testlauf beim Zerspaner

Das System wird derzeit bei CNC-Technik Mack Burgrieden anhand eines Beispielbauteils entwickelt und in Betrieb genommen. Durch die vollautomatisierte und kontinuierliche Datenerfassung entsteht in den kommenden Monaten eine umfangreiche Datenbasis, die im weiteren Projektverlauf fortlaufend erweitert wird. Darauf aufbauend folgen die Entwicklung und Validierung der Module zur Anomalie-Detektion, Qualitätsprädiktion und Prozessadaption.



  • Tim Srock wird Geschäftsführer von Lobster

    Tim Srock wird Geschäftsführer von Lobster

    Zuletzt war Tim Srock CEO der Siemens-Tochter Mendix. Nun übernimmt er das Ruder beim No-Code-Spezialisten Lobster.

    mehr lesen: Tim Srock wird Geschäftsführer von Lobster

  • Cyberbedrohungen auf Rekord-Niveau

    Cyberbedrohungen auf Rekord-Niveau

    2023 blockierte Trend Micro mehr als 161 Milliarden Cyberbedrohungen weltweit – 10 Prozent mehr als im Jahr zuvor und fast 107 Milliarden mehr als noch vor fünf Jahren.

    mehr lesen: Cyberbedrohungen auf Rekord-Niveau

  • Deutsche Unternehmen melden wieder mehr Erfindungen an

    Deutsche Unternehmen melden wieder mehr Erfindungen an

    Die Zahl der Patentanmeldungen beim Deutschen Patent- und Markenamt ist im Jahr 2023 gestiegen. Größere Anstiege zeigten sich bei den Digitaltechnologien und bei der Elektromobilität.

    mehr lesen: Deutsche Unternehmen melden wieder mehr Erfindungen an

  • Automatisierungspotenzial steigt auch in Expertenberufen

    Automatisierungspotenzial steigt auch in Expertenberufen

    Auch hochqualifizierte Beschäftigte bekommen die Digitalisierung zu spüren. Laut einer Untersuchung des IAB steigt der Anteil automatisierbarer Tätigkeiten in diesen sogenannten Expertenberufen besonders stark.

    mehr lesen: Automatisierungspotenzial steigt auch in Expertenberufen

  • Jahrestagung ‚Enterprise Portfolio- und Projektmanagement mit SAP‘

    Jahrestagung ‚Enterprise Portfolio- und Projektmanagement mit SAP‘

    Unter dem Motto ’Berichte, Praxiserfahrungen, Neuigkeiten und Umsetzung rund um das SAP EPPM’ bietet die 25. Jahrestagung Enterprise Portfolio- und Projektmanagement mit SAP am 16. und 17. Mai 2024 in…

    mehr lesen: Jahrestagung ‚Enterprise Portfolio- und Projektmanagement mit SAP‘

  • Roboterzelle steckt Brennstoffzellen in Sekundenschnelle

    Roboterzelle steckt Brennstoffzellen in Sekundenschnelle

    Ein Forschungsteam vom Fraunhofer IPA und vom Campus Schwarzwald hat eine Roboterzelle aufgebaut, die Brennstoffzellen in Sekundenschnelle und automatisiert stecken kann. Brennstoffzellensysteme könnten so günstiger werden und den Verbrenner im…

    mehr lesen: Roboterzelle steckt Brennstoffzellen in Sekundenschnelle

  • Marcus Mead wird neuer Europa-Chef

    Marcus Mead wird neuer Europa-Chef

    Seit 1. März 2024 ist Marcus Mead neuer Executive Officer Regional Manager Europe, Chairman & President der Yaskawa Europe. Er folgt auf Bruno J. Schnekenburger, der in den Ruhestand tritt.

    mehr lesen: Marcus Mead wird neuer Europa-Chef

  • Unternehmen kämpfen mit intransparenten Supply-Chain-Daten

    Unternehmen kämpfen mit intransparenten Supply-Chain-Daten

    Viele Logistiker müssen mit veralteten Daten arbeiten. Dies zeigt eine Studie von InterSystems in der fast die Hälfte der Befragten über fehlende Transparenz in der Lieferkette klagen.

    mehr lesen: Unternehmen kämpfen mit intransparenten Supply-Chain-Daten

  • Siemens schließt sich Semiconductor Education Alliance an

    Siemens schließt sich Semiconductor Education Alliance an

    Die Semiconductor Education Alliance hat sich zum ziel gesetzt, die Bildung im Bereich Halbleiter zu verbessern. Als neuestes Mitglied hat sich Siemens der Allianz angeschlossen.

    mehr lesen: Siemens schließt sich Semiconductor Education Alliance an

  • SpiraTec France nimmt Arbeit auf

    SpiraTec France nimmt Arbeit auf

    SpiraTec expandiert und gibt die Gründung einer französischen Tochtergesellschaft in Paris bekannt. Zudem plant das Unternehmen die Eröffnung weiterer Standorte.

    mehr lesen: SpiraTec France nimmt Arbeit auf

  • CamLine erwirbt Romaric

    CamLine erwirbt Romaric

    Der MES-Spezialist CamLine übernimmt das US-Softwareunternehmen Romaric und nimmt damit auch intralogistische Transportprozesse in den Blick.

    mehr lesen: CamLine erwirbt Romaric

  • Vorbereitungen für Motek und Bondexpo laufen

    Vorbereitungen für Motek und Bondexpo laufen

    Die Hürden der Automatisierung sinken weiter. Das will die diesjährige 42. Motek, internationale Fachmesse für Produktions- und Montageautomatisierung, zusammen mit der 17. Bondexpo, internationale Fachmesse für Klebtechnologie, zeigen und stellen…

    mehr lesen: Vorbereitungen für Motek und Bondexpo laufen